Впервые индуцированное излучение в оптическом диапазоне было получено Т. Майманом в 1960 г. В твердотельном рубиновом импульсном генераторе. Созданию первого лазера предшествовали фундаментальные исследования советских (А.М. Прохоров, Г.Н. Басов) и зарубежных (А. Шавлов, У. Таунс, Д. Вебер) ученых. Другим типом твердотельных лазеров импульсного действия были четырехуровневые генераторы на стекле, активированном неодимом, с длиной волны излучения λ0=1,064 мкм. Этот генератор был создан Е. Снитцером в 1961 г.
Для описания модели твердотельного лазера следует выполнить три основные условия:
1. Необходимо иметь вещество с инверсией населенностей ∆N = Nn – Nm, т.е. чтобы из двух выбранных уровней верхний уровень был заселен больше, чем нижний, где Nn, Nm – населенности уровней энергии En, Em. Инверсия населенности определяется накачкой.
2. Активное вещество необходимо поместить в оптический резонатор – систему двух параллельных зеркал, чтобы осуществить положительную обратную связь. В результате этого часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активной среды, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процесс излучения.
3. Усиление G(ν), даваемое активной средой, должно быть больше некоторого суммарного порогового значения потерь в резонаторе β∑, определенного для каждого твердого активного вещества. Генерация будет возможна при выполнении условия самовозбуждения:
G(ν) ≥ β∑
Рисунок 3. а- трехуровневая и б- четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.
В твердотельных лазерах используются трех- и четырехуровневые системы накачки уровней (рисунок 3). В первой системе излучение оптической накачки переводит квантовые частицы в широкую полосу поглощения Е3, затем атомы быстро переходят на метастабильный уровень Е2. Если мощность накачки достаточна, то между основным уровнем Е1 и уровнем Е2 возникает инверсия населенностей. Генерация вынужденного излучения происходит с метастабильного уровня Е2 на основной (либо с Е3 на вспомогательный уровень Е2 в четырехуровневой системе).
В общем случае изменение населенностей уровней обусловлено тремя квантовыми механизмами: спонтанными переходами на нижние уровни; вынужденным излучением и поглощением; безызлучательными переходами, возбуждаемыми тепловыми процессами и взаимодействиями с колебаниями кристаллической решетки.
